光量子比特的存储保真度达95.2%：为大规模光量子网络铺平道路

量子存储器是量子中继的核心器件。之前大家用的是发射型量子存储器，要么一次只能传输1个量子，效率低;要么一次传输多个量子，但精确率低。”李传锋教授团队一直致力于研究吸收型量子存储器，经过3年多努力，2021年在国际上首次成功使用吸收型量子存储器，演示了多模式复用的量子中继基本链路。这种量子存储器可以一次捕获并存储4对纠缠量子，等于获得了四倍加速的纠缠分发速率，并且经实验验证，两个节点之间的纠缠保真度超过80%。

2022年8月7日，从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟及其同事包小辉、张强等，将长寿命冷原子量子存储技术与量子频率转换技术相结合，采用现场光纤在相距直线距离12.5公里的独立量子存储节点间建立纠缠。相关研究成果以编辑推荐的形式日前发表在《物理评论快报》上。

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组基于掺铒波导，实现了通信波段光子的按需式量子存储，向构建大尺度光纤量子网络迈出重要一步。相关成果近日发表于《物理评论快报》。

据中科院报道，量子存储器是量子网络的核心器件，通过按需式读取纠缠光子，可把远距离光纤传输中的指数级损耗降为多项式级损耗。

李传锋、周宗权研究组在掺铒硅酸钇晶体上利用激光直写技术，自主加工了光波导，并在波导两端直接粘贴集成了普通的单模光纤。

为了实现按需式读取，研究组进一步利用电子蒸镀技术在波导两侧加工了片上电极，从而利用电场诱导的斯塔克效应实时调控波导内铒离子的相干演化。

通过极化铒离子的电子自旋，并初始化其核自旋状态，光子的存储效率被提升至10.9%，这一效率相比此前报道的可集成通信波段量子存储获得了5倍的增强。电场调控的按需式量子存储保真度达98.3%，远超考虑了存储效率和光子统计的经典极限。

该成果基于铒离子实现了通信波段的按需式量子存储，并且这一光纤集成器件可直接对接现有的光纤网络。在经典通信领域，掺铒光纤放大器的发明使得长距离光纤通信成为现实。

来自美国亚马逊云科技量子网络中心和哈佛大学的科学家在近期《科学》杂志发表论文称，他们新开发出一种新型量子存储器，能纠错且寿命或相干时间超过2秒，为创建可扩展的量子网络铺平了道路。最新研制出的量子存储器能在4开尔文(零下269.15摄氏度)的温度下捕获和存储光子，而此前的设备只能在低于0.1开尔文(零下273.05摄氏度)的温度下捕获和存储光子;该存储器也能从存储在电子上的光子中获取信息，将其交换到硅核，而且存储时间增加了约1000倍，长达2秒。

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组提出并实验实现“无噪声光子回波”，成功将背景噪声从1光子降低到0.0015光子，首次观察到单光子的光子回波并实现高保真度的固态量子存储。该成果近日发表于《自然·通讯》。该原创性方案具备高效率、高保真度及易于实现的特性，在量子优盘应用中具有显著优势，这种新技术还有望在其他学科领域信号提取等方面激发出新应用。

科学家已经开发出一种量子存储方法，有助于为大规模光量子网络铺平道路。

新的量子存储系统依赖于原子核自旋，以自旋波的形式产生集体振荡，通过集体振荡有效地将几个原子连接起来存储信息。

美国加州理工学院应用物理学和电气工程教授Andrei Faraon团队利用一个由镱(Yb，可用在激光的稀土元素)离子制成的量子比特，将该离子嵌入正钒酸钇(YVO4)的透明晶体中，并通过光学和微波场的组合来操纵其量子态。然后，团队使用镱的量子位来控制晶体中多个钒原子的核自旋状态。研究成果于2月16日发表在《自然》(Nature)期刊上。

光子回波是原子与一系列电磁波脉冲相互作用时发出的相干辐射，是存储和操纵光的有力工具。光子回波作为光与物质作用的一种基本物理过程，已在众多学科领域取得广泛应用，代表性应用有核磁共振成像(射频波段)、电子顺磁共振谱仪(微波段)、二维电子光谱(光波段)等，其中自旋回波是射频波段的光子回波。如果把光子回波应用到量子领域，则有望实现任意波段的光量子存储器，从而建立超导量子计算机的微波光子学界面以及建立基于光波光子的大尺度量子网络。

然而，已有的光子回波方案均存在一个本质缺陷，即光子回波的发射信号被自发辐射噪声所污染，这从根本上阻止了光子回波应用到量子领域。

李传锋、周宗权研究组提出的“无噪声光子回波”方案，创造性地结合不同频率的控制脉冲以及两次重聚过程，可通过频谱滤波严格消除自发辐射噪声。他们在掺铕硅酸钇晶体(量子优盘的工作介质)中实现了“无噪声光子回波”方案，实测的背景噪声为0.0015光子，比之前光子回波实验的噪声降低了99.85%。在单光子信号入射的条件下，回波信噪比达42.5，光量子比特的存储保真度达95.2%。